(57)【要約】【課題】超音波モータなどの摩擦部材の駆動面に亀裂が発生すると精密駆動装置の良好な駆動が妨げられるという問題があった。【解決手段】可動部分を有する装置の該可動部分における物理的劣化に寄与する仕事量を積算し、所定の値に設定された仕事量の積算値に対して該積算値により前記可動における稼働状態を管理制御する。【選択図】      図１
2006101579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部分を有する装置の該可動部分における物理的劣化に寄与する仕事量の積算値と、予め所定の値に設定された仕事量の積算値を比較することにより、前記可動部分における稼働状態を管理制御することを特徴とする可動部分を有する装置の管理制御方法。
【請求項２】
前記仕事量における力の加速度的変化を検出して、前記可動部分における稼働状態を管理制御することを特徴とする請求項１に記載の可動部分を有する装置の管理制御方法。
【請求項３】
前記仕事量が摩擦仕事量であることを特徴とする請求項１または２に記載の可動部分を有する装置の管理制御方法。
【請求項４】
超音波モータと摩擦部材との摩擦駆動により可動する可動体と、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報に基づき、前記超音波モータを駆動させる駆動用指令信号を出力する駆動制御部を備えた精密駆動装置において、前記摩擦部材の摩擦仕事量積算値と、予め設定された寿命限界条件である摩擦仕事積算量とを比較し、前記摩擦部材の寿命を判定する寿命判定部を備えたことを特徴とする精密駆動装置。
【請求項５】
前記超音波モータの先端部に摩擦部材を接合し、該記摩擦部材を可動体に当接させ、可動体を直線的に可動させることを特徴とする請求項４に記載の精密駆動装置。
【請求項６】
前記摩擦仕事積算量が、超音波モータの単位時間当たりの駆動周波数（サーボループ）における滑り量（Ｓ）と、接線力（Ｆ）と駆動回数ｆ‘とから算出されることを特徴とする請求項４または５に記載の精密駆動装置。
【請求項７】
前記寿命判定部の寿命限界条件である摩擦仕事積算量が予め設定されたしきい値を越えた場合に、警告を発する警告信号発生部を備えたことを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の精密駆動装置。
【請求項８】
前記摩擦仕事積算量のしきい値を、前記摩擦部材の駆動面に亀裂が生じた時点の全摩擦仕事量の４／５以下の領域に設定することを特徴とする請求項７に記載の精密駆動装置。
【請求項９】
前記接線力が初期の２倍になった場合に、警告を発する警告信号発生部を備えたことを特徴とする請求項６に記載の精密駆動装置。
【請求項１０】
前記、超音波モータの摩擦部材がアルミナ、アルミナチタンカーバイト、アルミナチタンナイトライドのいずれか一種からなることを特徴とした請求項４乃至９のいずれかに記載の精密駆動装置。
【請求項１１】
前記摩擦部材の先端面を球面とすることを特徴とする請求項４乃至９のいずれかに記載の精密駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は精密駆動装置に関するものであり、特に精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置に好適に用いられるものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波モータは、最小振幅がナノメートルオーダーと小さく、高分解能の位置決めが可能であり、しかも摩擦駆動であるために駆動力が大きいといった特徴を有するため、これまでカメラのレンズズーム機構や腕時計のバイブレーションアラームなど回転運動系への実用化が行われており、最近では精密加工機械、精密測定装置、半導体製造装置等、直線運動系の精密駆動装置への適用が試みられている。
【０００３】
図４に直線運動系の精密駆動装置への適用例の１つである従来の精密駆動装置１０を示す。この装置は、ベース盤１１上にクロスローラーガイドの如き一対のガイド部材１２を備え、これらのガイド部材１２によって可動体としてのステージ１３を直線的に案内するようになっている。
【０００４】
また、ステージ１３の一方の側面には、ガイド部材１２に対して平行に駆動力伝達部材１４が、ステージ１３の他方の側面には、前記駆動力伝達部材１４と平行にリニアスケール１５がそれぞれ設置されており、該リニアスケール１５と対向する位置には測定ヘッド１６を設けて位置検出手段１７を構成するとともに、前記駆動力伝達部材１４と対向する位置には２つの超音波モータ２０を設置し、各超音波モータ２０の摩擦部材２５を前記駆動力伝達部材１４の当接面に対して垂直に当接させてある。
【０００５】
なお、図中、２６は超音波モータ２０を収容するケース、２７は超音波モータ２０の駆動を阻害することなくケース２６内に保持するためのスプリング、２８は超音波モータ２０をステージ１３の駆動力伝達部材１４に押圧するためのスプリングである。また、１８は位置検出手段１７より得られた位置情報を基にステージ１３の駆動速度を制御するための駆動制御部であり、駆動制御部１８から出力された駆動用指令信号をもとに超音波モータ２０を駆動させる。
【０００６】
また、前記摩擦部材２５および駆動力伝達部材１４には、一般的なセラミックス、ガラス等が用いられており、これを当接させその摩擦駆動により、前記ステージ１３を駆動させるようになっている。
【０００７】
また、図５（ａ）、（ｂ）に図３の精密駆動装置１０に用いる超音波モータ２０の構造を示すように、この超音波モータ２０は、圧電セラミック板２１の一方の主面に４分割された電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを有し、対角に位置する電極膜２２ａと電極膜２２ｄを結線するとともに、対角に位置する電極膜２２ｂと電極膜２２ｃを結線し、かつ他方の主面には、ほぼ全面に電極膜２３を形成した振動体２４と、上記圧電セラミック板２１の端面に設けたセラミックスやガラスからなる摩擦部材２５とからなり、上記一方の主面に形成された電極膜２３をアースするとともに、他方の主面に形成された電極膜２２ａと電極膜２２ｂにそれぞれ位相を異ならせた電圧を印加することにより、圧電セラミック板２１に縦振動と横振動を発生させ、これらの振動の合力によって摩擦部材２５を楕円運動させるようになっていた。
【０００８】
そして、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１６からの位置情報と、予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく基準位置情報との偏差に応じて駆動制御部１８にて例えばＰＩＤ演算処理し、超音波モータ２０へ指令信号を出力するフィードバック制御を行うようになっていた。
【０００９】
なお、ＰＩＤ演算を行うための制御パラメータであるＰ項、Ｉ項、Ｄ項の決定は、実駆動させる前にステージ１３の移動中における位置偏差や位置決め精度が規格を満足するように実験により試行錯誤的に決定するようになっていた。
【００１０】
また、特許文献１には加振機のシール余寿命管理装置において、摺動量を積算した積算結果をそれまでの総摺動量に加算して、その総摺動量が予め決められた設定値に達しているか判定することが示されている。
【００１１】
さらに、本発明者らは、特許文献２において超音波モータを駆動源とした精密駆動装置において、摩擦部材２５の摩擦摩耗量は摩擦仕事量を算出しこれを監視することで、摩擦部材の寿命を予測することができることを示している。
【特許文献１】特開２００３−１３９６５７号公報
【特許文献２】特開２００３−３３９１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところが、前記精密駆動装置１０を高速で長時間駆動させると摩擦部材２５の駆動力伝達部材１４との接触面（以下駆動面と記載）に亀裂を生じる。
【００１３】
この原因は、摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の駆動面に発生する局部的な発熱により、発熱部と未発熱部の熱膨張の違いから駆動面の各所に応力差が発生すること、並びに高速で長時間駆動を実施したことによる材質疲労の２つによるものと考えられる。
【００１４】
このように摩擦部材２５の駆動面に亀裂が生じると、駆動面に滑りを生じる場合があり、良好な駆動が維持できなくなるばかりか、駆動中に他の原因で精密駆動装置１０のステージを急停止させなければならない場合に、急停止により駆動面にかかる応力によって亀裂を破壊起点にして摩擦部材２５が破損してしまうが、これに伴う余寿命の予測ができないという問題があった。
【００１５】
特に余寿命の管理手段としては、特許文献１のように単純に総摺動量を積算している場合があるが、力のばらつきによる影響が考慮されていない。
【００１６】
そのため、装置ごとの寿命設定がばらつき、また、予期しない要因で加速度的に負荷が大きくなっても、それにともない余寿命を予測することはできなかった。
【００１７】
また、本発明者らが既に開示している特許文献２に記載の摩擦仕事量の監視では、超音波モータの摩擦部材２５の摩擦摩耗量を予測でき、これにより摩擦部材の交換時期、すなわち摩擦摩耗による寿命を予測、判定することは可能であったものの、材質疲労に起因する寿命は予測、判定することができないため、精密駆動装置の総合的な寿命を予測し、これをもとに装置を管理制御することは困難であった。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の精密駆動装置は前記課題に鑑み、可動部分を有する装置の該可動部分における物理的劣化に寄与する仕事量の積算値と、予め所定の値に設定された仕事量の積算値を比較することにより、前記可動部分における稼働状態を管理制御することを特徴とする。
【００１９】
前記仕事量における力の加速度的変化を検出して、前記可動部分における稼働状態を管理制御することを特徴とする。
【００２０】
前記仕事量が摩擦仕事量であることを特徴とする。
【００２１】
超音波モータと摩擦部材との摩擦駆動により可動する可動体と、該可動体の位置を測定する位置検出手段と、該位置検出手段からの位置情報に基づき、前記超音波モータを駆動させる駆動用指令信号を出力する駆動制御部を備えた精密駆動装置において、前記摩擦部材の摩擦仕事量積算値と、予め設定された寿命限界条件である摩擦仕事積算量とを比較し、前記摩擦部材の寿命を判定する寿命判定部を備えたことを特徴とする。
【００２２】
前記超音波モータの先端部に摩擦部材を接合し、該記摩擦部材を可動体に当接させ、可動体を直線的に可動させることを特徴とする。
【００２３】
前記摩擦仕事積算量が、超音波モータの単位時間当たりの駆動周波数（サーボループ）における滑り量（Ｓ）と、接線力（Ｆ）と駆動回数ｆ‘とから算出されることを特徴とする。
【００２４】
前記寿命判定部の寿命限界条件である摩擦仕事積算量が予め設定されたしきい値を越えた場合に、警告を発する警告信号発生部を備えたことを特徴とする。
【００２５】
前記摩擦仕事積算量のしきい値を、前記摩擦部材の駆動面に亀裂が生じた時点の全摩擦仕事量の４／５以下の領域に設定することを特徴とする。
【００２６】
前記接線力が初期の２倍になった場合に、警告を発する警告信号発生部を備えたことを特徴とする。
【００２７】
前記、超音波モータの摩擦部材がアルミナ、アルミナチタンカーバイト、アルミナチタンナイトライドのいずれか一種からなることを特徴とする。
【００２８】
前記摩擦部材の先端面を球面とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明の構成によれば、可動部分を有する装置の該可動部分における物理的劣化に寄与する仕事量の積算値と、所定の値に設定された仕事量の積算値を比較することにより、前記可動部分における稼働状態を管理制御して、装置の異常状態や寿命をいち早く察知し、警告の発生や装置の稼働停止等の処置を実施でき、これにより様々な製品の製造工程において装置の動作不良による不良品の発生を最小限に抑えることが可能となり生産性が向上する。
【００３０】
また、本発明では、前記仕事量のうち、稼働状態によりいち早く影響を受け変動しやすい力のファクターについてその変化を検出して、装置の稼働を管理制御することにより、可動部分の単なる劣化だけでなく、劣化により発生する稼働状態の変化をも掌握することが可能となる。
【００３１】
また本発明では、可動体の駆動により摩擦部材２５の駆動面に加わる総摩擦力に相当する摩擦仕事積算量を、前記駆動面に生じる亀裂が発生しない領域となるように設定し、これをしきい値として精密駆動装置１０の駆動寿命を判定することにより、亀裂が生じた際の摩擦部材２５の駆動面で生じる滑りを防止し、さらに装置を急停止させたときに駆動面に生じる応力により摩擦部材２５が亀裂を破壊起点として破損してしまうのを防止することが可能となる。
【００３２】
それにも増して、精密駆動装置１０を短時間駆動させ、１回の駆動で発生する摩擦仕事量を算出することで、装置の寿命予測を実施する事が可能となるため、製品製造工程への装置設置後のトラブル対応やメンテナンスの実施回数を大幅に減らすことが可能であり、トラブル対応やメンテナンス対応等、精密駆動装置１０のメーカー保証に要する費用を大幅に削減することが可能となる。
【００３３】
また、前記寿命判定部による寿命予測は可動体であるステージ１３の移動方向に対し、超音波モータを垂直方向に当接させ、可動体を直線的に可動させた場合により効果的である。
【００３４】
また、前記接線力が初期の２倍になった場合に警告を発する警告信号発生部を備えたことにより、摩擦部材２５に亀裂が発生するのを事前に察知し装置のメンテナンスを実施することが可能で精密駆動装置１０を常に良好な運転状態に維持することが可能となる。
【００３５】
さらに超音波モータ２０の摩擦部材２５の材質をアルミナ、アルミナチタンカーバイド、アルミナチタンナイトライドのいずれか一種とすることにより、精密駆動装置１０を長時間駆動させても良好な駆動を維持することが可能となる。特に、アルミナチタンカーバイド、アルミナチタンナイトライドについては硬度、靭性等の機械的特性が良好であり、駆動面の熱膨張差により発生する応力、あるいは材質疲労に対して耐久性を有し、長時間の駆動においても駆動面に亀裂が生じにくくすることができる。
【００３６】
また、前記超音波モータ２０の摩擦部材２５の先端部を球状とすることにより、可動体であるステージ１３の駆動力伝達部材１４に摩擦部材２５を当接させ位置決めした際に片当たり等の不具合が生じにくい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施形態について詳細を説明する。
【００３８】
図１に本発明の稼働装置における稼働制御フローチャートを示す。
【００３９】
図１に示すように装置稼働スタート後、装置可動部分の可動速度、加速度を演算し、さらにこの値に基づき、可動部分の可動によって行われる仕事量を演算する。ここで、前記仕事量とは、該装置の可動部分が可動することによって行われる仕事、あるいはこの可動部分と接触する部位が行う仕事、もしくは可動部分を可動させるための動力源の仕事を含んだ装置可動部分全体の仕事のうち、物理的劣化、すなわち装置の寿命に関わる仕事の量を示す。この代表例としては摩擦仕事量があるが、摩擦仕事量とは、可動部分とその接触部間の摩擦により生じる仕事の量を示し、この仕事量は可動部分と接触部の摩耗や接触部に用いられる材質の疲労による物理的劣化を伴う、すなわち物理的劣化に寄与する仕事量といえる。
【００４０】
そして、前記のような物理的劣化に寄与する仕事量を演算した後、可動部分の可動回数が任意の値に達するごとに仕事量の積算を行い、次の仕事量の積算値が（１）加速度的に変化していないか、（２）所定の値に達していないかを確認する。
【００４１】
前記（１）、（２）のうちいずれかもしくは両方の条件を満たしていれば、装置管理者に対して警告できるよう何らかの警告信号を発生させ、装置の異常を知らしめるとともに、装置の稼働を停止するが、そうでなければ、可動部分の可動速度演算、仕事量演算、積算を繰り返し実施する。
【００４２】
このような制御方法で装置を稼働させることにより、寿命により装置の稼働状態が著しく変化する、あるいは停止した場合に、該装置を導入している物品製造工程の生産性低下を防止する事が可能となる。
【００４３】
なお、前記仕事量については、特に仕事量の演算式に含まれる力のファクターが稼働状態の影響を受けやすく変動しやすい。本発明では、特にこの加速度的変化を検出することによって、装置の稼働トラブルを回避し、物品の製造工程において他の工程に影響を与えて生産効率が低下することを事前に防止することが可能である。
【００４４】
次に、前記の制御方法を用いた、摩擦仕事を伴う本発明の精密駆動装置の実施形態について詳細を説明する。
【００４５】
図２は本発明の精密駆動装置の一例を示す概略図である。なお、従来例と同一部分については同符号で示す。
【００４６】
本発明の精密駆動装置１は、ベース盤１１上にクロスローラーガイド等の一対のガイド部材１２を備え、これらのガイド部材１２によって可動体としてのステージ１３を直線的に案内するようになっている。
【００４７】
また、ステージ１３の一方の側面には、ガイド部材１２に対して平行に駆動力伝達部材１４が、ステージ１３の他方の側面には、駆動力伝達部材１４と平行にリニアスケール１５がそれぞれ設置されており、リニアスケール１５と対向する位置には測定ヘッド１６を設けて位置検出手段１７を構成するとともに、駆動力伝達部材１４と対向する位置には２つの超音波モータ２０を設置し、各超音波モータ２０の摩擦部材２５を駆動力伝達部材１４の当接面に対して垂直に当接させてある。
【００４８】
なお、図２に示す超音波モータ２０の取り付け数はステージ荷重等の超音波モータ２０へかかる負荷によって１つ以上のモータを設置すれば良く、図２では２つの超音波モータ２０を設置している。その取り付け構造については、図４に示した従来と同等であるために説明を省略する。また位置検出手段１７については、ステージ１３上に反射ミラーを設け、レーザー側長計で位置を検出するような構造としても良い。
【００４９】
そして、ステージ１３の移動に伴う位置検出手段１７からの時間、変位、速度、加速度等の位置情報を駆動制御部１８へ送り、この駆動制御部１８にて予め設定してあるステージ１３の移動プロファイルに基づく基準位置情報（変位、速度、加速度）との偏差をもとに、例えばＰＩＤ演算処理し、その出力値を駆動用指令信号として超音波モータ２０へ出力するフィードバック制御を行うクローズループ駆動制御を行うことで超音波モータ２０に備える摩擦部材２５との摩擦駆動によりステージ１３をガイド部材１２に沿って移動し、位置決めさせるようになっている。
【００５０】
なお、ステージ１３の移動プロファイルとは、ステージ１３の目標位置までの時間、変位、速度、加速度等から求まる一括した情報を示す。
【００５１】
次に、図２に示す本発明の精密駆動装置１には、寿命判定部２、警告信号発生部３が接続されている。以下寿命判定部２、警告信号発生部３について詳細を説明する。
【００５２】
前記寿命判定部２とは、超音波モータ２０の摩擦部材２５の駆動面に亀裂が発生し、良好な駆動状態を維持できなくなるのを防止するために、位置検出手段１７と駆動制御部１８間に設置される。
【００５３】
この寿命判定部２には、超音波モータ２０の摩擦部材２５と駆動力伝達部材１４の摩擦駆動により発生する摩擦仕事量（Ｗ）の総積算量、すなわち摩擦仕事量積算値（Ｗｆ）について、予め実験により超音波モータ２０の摩擦部材２５の駆動面に亀裂が発生しない領域を経験的に求め、この領域内の摩擦仕事量積算値Ｗｆがしきい値として入力設定されている。そして、寿命判定部２では該しきい値と精密駆動装置１が往復駆動する度に算出される摩擦部材２５の単位時間当たりの駆動で生じる摩擦仕事積算量Ｗｆとの比較が実施されており、この値が該しきい値を越えると、摩擦部材２５は寿命であると判断されるようになっている。
【００５４】
ここで、前記摩擦仕事量積算値（Ｗｆ）について算出方法の詳細を説明する。寿命判定部２に送られた時間、変位、速度、加速度等の位置情報と、超音波モータ２０の設置数、駆動周波数等の駆動性能、ステージ荷重等の精密駆動装置１の駆動に関する諸条件から、超音波モータ２０の単位時間当たりの駆動周波数（以下サーボループと記載）における滑り量（Ｓ）、接線力（Ｆ）を求め、この積に前記サーボループ間の超音波モータ２の駆動回数ｆ‘をさらに掛け合わせて算出される摩擦仕事量（Ｗ）を積算したのが摩擦仕事量積算値（Ｗｆ）であり、以下の数１式にて表される。
【数１】
2006101579.tif 000003
【００５５】
この数１式中、滑り量Ｓはステージ１３の駆動速度をＶｓ、超音波モータの駆動速度をＶｔ、駆動力伝達部材１４と摩擦部材２５の接触時間をＴｃとしＳ＝（Ｖｓ−Ｖｔ）×Ｔｃ、さらに接線力Ｆはステージ１３の加速度をａ、ステージ１３の重量をｍとしＦ＝ｍａによりそれぞれ算出される。
【００５６】
また、前記数１式のｆ‘は、サーボループ間の時間をｔ、超音波モータ２０の駆動周波数をｆとするとｔ／ｆによって求められる値、すなわちサーボループ間の超音波モータ２０の駆動回数を表す。そして、これらの駆動開始から駆動終了（ｅｎｄ）までの数値の積算により前記摩擦仕事積算量Ｗｆが求められるのである。
【００５７】
なお、超音波モータ２０の設置機数が２機以上である場合には、数１式で求めた摩擦仕事積算量Ｗｆを設置機数で除した値と該しきい値との比較により寿命判定を行う。
【００５８】
また、前記摩擦仕事積算量のしきい値は、本発明の精密駆動装置をクローズループ駆動制御にて駆動させ、セラミックス製摩擦部材２５駆動面の亀裂や駆動状態の変化を確認し、それまでの摩擦仕事を積算した総摩擦仕事量に対し、その４／５以下の領域、すなわち２０％の余裕を見て、残り８０％の安全領域内に設定する。ここで、前記のように２０％の安全を見る理由としては、本発明の精密駆動装置１はナノミクロンオーダーの位置制御が可能であり、これを半導体製造工程等に用いた場合、少しの位置精度のバラツキが製品歩留まりに影響を与えるからであり、駆動状態が変化しない領域で該しきい値を設定する必要があるからである。
【００５９】
また、本発明の精密駆動装置は、図２に一例を示すように、可動体であるステージ１３の駆動方向に垂直に超音波モータ２０の摩擦部材２５を当接させ、可動体を直線的に可動させる場合に特に効果的である。すなわち、直線駆動を伴う精密駆動装置は大型のものがほとんどであり、しかも半導体等の製品製造工程で多数の装置を一度に稼働させる場合が多く、精密駆動装置１の駆動状態が製品歩留まりを左右するため、この変化のひとつの目安となる寿命判定部２や警告発生部３を設けることは特に有用といえる。
【００６０】
また、図３に超音波モータ２０の摩擦部材２５としてアルミナを用い、駆動速度１００ｍｍ／ｓで駆動させた場合の前記摩擦仕事積算量ΣＷｆを縦軸に、精密駆動装置１の駆動回数（＝超音波モータ２０の駆動回数）を横軸にとったグラフを示す。試験に用いた精密駆動装置１では１００ｍｍ／ｓで駆動させた場合に、１回の駆動で行われる摩擦仕事量は約１．８ｍＪであり、１０万回駆動させれば摩擦仕事積算量は約１８０Ｊとなり、駆動回数が多くなるに従って、摩擦仕事積算量ΣＷｆは増加していく。予め同じ装置、条件設定にてクローズループ駆動制御を実施した駆動試験においては、図のＡの境界線を越えると超音波モータ２０の摩擦部材２５の駆動面に亀裂が生じ、その後駆動を継続すると駆動面の亀裂の影響により摩擦仕事積算量のが増加していくことが確認された。
【００６１】
本発明では、精密駆動装置１の駆動条件や駆動源である超音波モータ２０の摩擦部材２５の材質によるが、それぞれの精密駆動装置１の条件に合わせてこの境界線Ａより下側の安定領域内で摩擦仕事積算量ΣＷｆのしきい値を決定し、この値を超えると、超音波モータ２０の摩擦部材２５はその駆動面に亀裂を生じるとして寿命であると判断される。図３においては図のＢ点を摩擦仕事積算量ΣＷｆのしきい値とし、これを越えると摩擦部材２５が寿命であると判定するように設定してある。
【００６２】
さらに、前記寿命判定部の寿命限界条件である摩擦仕事積算量ΣＷｆが、設定されたしきい値を越えた場合に警告を発する警告信号発生部３について説明する。
【００６３】
この警告信号発生部３は、寿命判定部２と、駆動制御部１８間に設置され、前記寿命判定部２にて摩擦仕事積算量Ｗｆがしきい値を越えて超音波モータ２０の摩擦部材２５が寿命であると判断された場合に、精密駆動装置１の管理者に警告信号を発しそれを知らせるために設置されている。ほとんどの場合、精密駆動装置１は自動制御により駆動させており、これをコンピューターで管理している。従って、駆動状態に異常が発生した場合には、それを管理者に早急に伝達しなければ、例えば精密駆動装置１を導入している半導体製造工程全体に影響を及ぼし、著しい生産効率の低下を招く。
【００６４】
また、特に前記警告を発すべきは、摩擦仕事積算量Ｗｆのうち、力のファクターである接線力（Ｆ）が２倍となった時である。これは、接線力が変化のないステージ荷重ｍと、より装置の稼働状態を顕著にあらわす加速度ａの積により算出されるからであり、接線力が２倍になれば装置の加速度が２倍となり、稼働状態に深刻な変化が生じたのが明らかだからである。
【００６５】
また、前記警告信号発生部３は、一般的によく用いられるパトランプや、警告音を発するブザー等からなり、寿命判定部２により寿命と判断された場合、寿命判定部２からランプやブザーに電気信号を送り作動させることによって、装置管理者の視覚や聴覚に異常を伝えられる形のものであればどのような構成をとってもよい。
【００６６】
また、本発明の精密駆動装置１に用いる超音波モータ２０のセラミックス製摩擦部材２５としては、その材質をアルミナ、アルミナチタンカーバイド、アルミナチタンナイトライドのいずれか１種からなるものとするのが良い。
【００６７】
前記アルミナについては、一般的に種々の用途で用いられており、コスト的な面で他の材質と比較して安価であり、しかも超音波モータ２０の摩擦部材２５として用いた場合にも、その駆動面には亀裂が生じにくく優れた耐久性を有している。
【００６８】
さらには、前記アルミナよりも優れた耐久性を示す材質としてアルミナチタンカーバイドがある。このアルミナチタンカーバイドは、前記アルミナと炭化チタンの複合材料であり、高硬度、高融点を有するアルミナ（ビッカース硬度（Ｈｖ）：１８ＧＰａ、融点２１００℃）と、それよりもさらに高硬度、高融点でかつ高靭性を有する炭化チタン（ビッカース硬度（ＨＶ）：２８ＧＰａ、融点：３２００℃、破壊靭性値：６ＭＰａｍ１／２）を含有する複合材料としたことから、アルミナよりも機械的特性に優れており、摩擦部材２５の駆動面に熱膨張差により発生する応力に対し耐久性を持つ。さらには駆動面における脱粒、亀裂を生じにくいために、摩擦部材２５とその相手材である駆動力伝達部材１４の摩擦摩耗も低減することができ、長期間にわたって精密駆動装置１を安定して駆動させることが可能となる。
【００６９】
ここで、前記摩擦部材２５を形成するアルミナチタンカーバイドにおける炭化チタンの含有量は１０〜５０質量％とすることが好ましい。なぜなら、炭化チタンの含有量が１０質量％未満であると、硬度、強度、靭性等の機械的特性を向上させることが困難であり、また超音波モータ２０を高速駆動させた時の滑りを防止する効果が小さいからであり、逆に炭化チタンの含有量が５０質量％を越えると、高温に曝された場合に硬度が低下する傾向を示す炭化チタンの含有量が多くなりすぎるため、駆動力伝達部材１４との摩擦駆動が長時間に及んだ場合、摩擦部材５の摩耗が進行してしまうからである。
【００７０】
また、前記アルミナチタンカーバイドにはアルミナと炭化チタン以外に焼結助剤等の助剤成分として、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｙ等の酸化物を含有させてあるが、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｙ等は常磁性金属であるため、この酸化物の含有量が多くなりすぎると磁性を示すようになり、常磁性金属酸化物の含有量が７質量％を超えると、最大磁束密度が０．０５μＴを超え、磁性体を嫌う用途、例えば電子ビーム露光装置等の精密駆動装置には用いることができなくなる。そのため、助剤成分として含有させる常磁性金属酸化物の含有量が０．１質量％未満となると、焼結体を得ることが難しくなる。
【００７１】
よって、助剤成分として含有させる常磁性金属酸化物の含有量は０．１〜７質量％とすればよく、この範囲で含有すれば、最大磁束密度を０．０５μＴ以下とし、かつ硬度を高めることができる。そして残部は主としてアルミナと炭化チタンからなるのであるが、アルミナ、炭化チタン、焼結助剤へは、常磁性金属酸化物等に含まれるような不可避不純物であれば微量混入していても構わない。
【００７２】
また、前記複合材料の焼結体中のアルミナ結晶及び炭化チタン結晶の各最大粒径はそれぞれ４μｍ以下とするとともに、複合材料の焼結体の最大気孔径を２μｍ以下とすることが好ましい。
【００７３】
さらに前記アルミナチタンカーバイドと同等の機械的特性を有するアルミナチタンナイトライドも前記超音波モータ２０の摩擦部材２５として好適に用いることが可能である。これらアルミナチタンカーバイド、アルミナチタンナイトライドは製造コスト面ではアルミナより高価であり、コスト的にメリットが少ないものの、耐久性に優れ、トータルとして考慮した場合にコスト的に見てもアルミナと同等のメリットがあると言える。
【００７４】
また、前記超音波モータの摩擦部材２５においては、先端部の形状を球面とするのがより好適である。該先端部が球面ではない場合には、超音波モータ２０を位置決め固定した際に位置決め精度によっては、ステージ１３の駆動力伝達部材１４表面に片あたりした状態で固定される場合があり、このような状態では良好な精密駆動装置１の駆動を実施することができなくなる。好ましくは曲率半径１００ｍｍ以下の球面とするのが良い。
【００７５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は直線駆動系への適用にとどまらず、回転駆動系へも好適に利用することが可能であり、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の改良や変更したものにも適用できることは言うまでもない。
【実施例１】
【００７６】
以下に本発明の実施例を示す。
【００７７】
図２に示す精密駆動装置１を製造し、長時間駆動させ摩擦仕事積算量ΣＷｆを算出して予め試験を実施して求めた摩擦仕事積算量のしきい値と比較することによって寿命判定部２により超音波モータ２０の摩擦部材２５について寿命判定する実験を行った。
【００７８】
実験に用いた精密駆動装置１は、ステージ１３を案内するガイド部材１２には、２００ｍｍのストロークを有するクロスローラーガイドを用い、ステージ１３は２５０ｍｍ×１２０ｍｍ×３０ｍｍの板状体とし、その材質をアルミニウムにより形成している。
【００７９】
また、ステージ１３を駆動させる超音波モータ２０は、幅８ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ３ｍｍの圧電駆動部２４の端面にアルミナセラミックス製の摩擦部材２５を備え、圧電駆動部２４の一方の主面には４つの電極膜２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを形成し、対角に位置する２２ａと２２ｄ、２２ｂと２２ｃ同士を結線するとともに、他方の主面全体に１つの共通電極膜を形成してなり、前記４つの電極膜に互いの位相差を９０度ずらした指令電圧を印可することにより、摩擦部材２５が楕円運動するようにしたものを用いた。なお、摩擦部材２５の摩擦駆動面は、曲率半径が３ｍｍの球面とし、その表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍとした。
【００８０】
さらに、ステージ１３の位置検出手段１７を構成するリニアスケールには、ミツトヨ製のリニアスケールＳ３３Ｃを用い、ステージ５３の一方の側面に設置するとともに、このリニアスケールと対向する位置に測定ヘッド１６を設置して位置検出手段１７を構成し、ステージ１３の他方の側面にはアルミナセラミックス製の駆動力伝達部材１４を設置した。なお、前記駆動力伝達部材の駆動面は表面粗さを中心線平均粗さ（Ｒａ）０．２μｍとしている。
【００８１】
そして、位置検出手段１７と駆動制御部１８間に、摩擦仕事積算量のしきい値が入力された寿命判定部２を設置し、さらに寿命判定部２にはサーボループ間の摩擦仕事積算量ΣＷｆが前記しきい値を越えたらブザーが鳴るように配線された警告ブザーからなる警告信号発生部３を接続してある。
【００８２】
また、前記寿命判定部には、同様の仕様の精密駆動装置をクローズループ駆動制御にて１００ｍｍ／ｓの速度にて駆動させ、アルミナセラミック製摩擦部材２５の駆動面に亀裂が生じ、駆動状態も位置決め精度±１μｍが維持できなくなるポイントに対し、２０％をのぞく残り８０％の安全領域、すなわち経験的に予め得られた摩擦仕事積算量のしきい値４００Ｊ（ジュール）を入力して試験を実施している。
【００８３】
前記駆動試験の結果、本発明の精密駆動装置１における摩擦仕事積算量の値が４００Ｊを越えた直後に警告ブザーが鳴ることが確認された。また、試験後に該セラミックス製摩擦部材２５の駆動面を金属顕微鏡にて確認したところ、亀裂が生じており、さらに駆動状態は目標の位置決め精度が±１μｍからはずれていることが確認された。
【実施例２】
【００８４】
次に、実施例１で用いた本発明の精密駆動装置１の超音波モータ２０の摩擦部座２５材質を、アルミナチタンカーバイドとして同様の条件にて装置を駆動させる試験を実施した。
【００８５】
その結果、アルミナチタンカーバイドにおいては、実施例１のアルミナの１０倍以上の総摩擦仕事量となり、寿命判定部２に入力設定するしきい値も実施例１の１０倍以上の値４ｋＪを設定することができ、良好な駆動状態をさらに長時間維持することができることが確認された。
【００８６】
また、アルミナチタンナイトライドについても、アルミナチタンカーバイドと同等の結果が得られ、本発明の精密駆動装置の超音波モータ２０の摩擦部材２５として適用すれば、非常に良好な駆動状態を長時間維持することができることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の稼働装置の制御方法のフローチャートを示す。
【図２】本発明の精密駆動装置の一例を示す概略図である。
【図３】本発明の精密駆動装置において、超音波モータの摩擦部材にアルミナを用いた場合の摩擦仕事積算量ΣＷｆと駆動回数の関係の一例を示すグラフである。
【図４】従来の精密駆動装置の一例を示す概略図である。
【図５】超音波モータの内部構造を示す概略図である。
【符号の説明】
【００８８】
１、１０：精密駆動装置 
２：寿命判定部
３：警告信号発生部
１１：ベース盤
１２：ガイド部材
１３：ステージ
１４：駆動力伝達部材
１５：リニアスケール
１６：測定ヘッド
１７：位置検出手段
１８：駆動制御部
２０：超音波モータ
２１：圧電セラミック板
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２３：電極膜
２４：振動体
２５：摩擦部材
【図１】
2006101579.tif 000004
【図２】
2006101579.tif 000005
【図３】
2006101579.tif 000006
【図４】
2006101579.tif 000007
【図５】
2006101579.tif 000008